并发编程的艺术-“程”：探索进程、线程、协程、纤程与管程(并发编程之美：深入解析进程、线程、协程、纤程与管程)

原创

ithorizon 7个月前 (10-20) 阅读数 18 #后端开发

并发编程之美：深入解析进程、线程、协程、纤程与管程

一、引言

并发编程是现代计算机科学中一个重要的领域，它涉及到怎样让多个任务在同一时间段内高效地执行。在多核处理器和云计算时代，并发编程变得越来越重要。本文将深入探讨进程、线程、协程、纤程和管程这五种并发编程的基本概念和技术。

二、进程

进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。它是一个具有自立功能的程序涉及某个数据集合的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个自立单位。

2.1 进程的创建与销毁

进程的创建通常通过系统调用fork()实现，而销毁则通过exit()系统调用。下面是一个易懂的进程创建的示例代码：


#include 
#include 
#include 
int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        // fork未果
        printf("fork failed ");
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("This is the child process, PID: %d ", getpid());
    } else {
        // 父进程
        printf("This is the parent process, PID: %d, Child PID: %d ", getpid(), pid);
    }
    return 0;
}

三、线程

线程是进程的执行单元，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能自立运行的基本单位，并且线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源（如程序计数器、一组寄存器和栈），但是它可以与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。

3.1 线程的创建与同步

线程的创建可以通过pthread库实现，线程同步则涉及到互斥锁、条件变量等。以下是一个易懂的线程创建的示例代码：


#include 
#include 
void* thread_function(void* arg) {
    printf("Thread ID: %ld ", pthread_self());
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread_id, NULL);
    return 0;
}

四、协程

协程是一种轻量级的线程，它允许多个入口点，可以在指定的位置暂停和恢复执行。协程提供了更细粒度的控制，并且开销比线程小得多。

4.1 协程的使用场景

协程常用于IO密集型应用，如网络服务器、异步IO操作等。以下是一个使用Python协程的示例代码：


import asyncio
async def hello_world():
    print("Hello")
    await asyncio.sleep(1)
    print("World")
asyncio.run(hello_world())

五、纤程

纤程（Fiber）是一种比线程更轻量级的并发执行单元，纤程可以在一个线程内部进行切换，从而避免了线程上下文切换的开销。

5.1 纤程的实现

纤程的实现通常依存于操作系统提供的异步I/O拥护和用户态线程。以下是一个使用Windows纤程的示例代码：


#include 
#include 
DWORD WINAPI fiber_function(LPVOID param) {
    printf("Running in fiber %d ", GetCurrentFiber());
    return 0;
}
int main() {
    HANDLE hFiber = CreateFiber(0, fiber_function, NULL);
    ConvertFiberTo Fiber(hFiber);
    printf("Running in main fiber %d ", GetCurrentFiber());
    DeleteFiber(hFiber);
    return 0;
}

六、管程

管程（Monitor）是一种同步机制，它将变量的声明和对这些变量的操作封装在一起，提供了一种高级的并发编程抽象。管程确保了在任一时刻，只有一个线程可以执行管程内的代码。

6.1 管程的使用

管程通常在编程语言中提供内置拥护，如Java中的synchronized关键字。以下是一个易懂的管程使用示例：


monitor Counter {
    int count = 0;
    condition cond;
    void increment() {
        count++;
        cond.signal();
    }
    void decrement() {
        while (count == 0) {
            cond.wait();
        }
        count--;
    }
    int getCount() {
        return count;
    }
}